Uppdatering: Denna artikel uppdaterades den 11 september 2017 av Rachel Ross, Live Science Contributor.
Föreställ dig att du lägger en atom på en våg. När du gör det flagnar hudceller som är triljoner atomer tjocka av din hand och fladdrar ner runt omkring den och begraver den i en hög av atomära dubbelgångare. Under tiden skjuter fukt och atmosfäriska partiklar omkring, studsar på vågen och skickar dess atomkänsliga nål fram och tillbaka som en vindrutetorkare. Och förresten, hur lyckades du överhuvudtaget isolera en enda atom?
Ett ögonblick av eftertanke visar att det inte går att väga en atom på en traditionell våg.
Istället har fysiker i över hundra år använt ett instrument som kallas masspektrometer. Den uppfanns 1912 av fysikern J.J. Thomson och har förbättrats successivt: Först ”joniserar” fysikerna en atomgas genom att avfyra en partikelstråle mot gasen, vilket antingen tillför elektroner till atomerna i gasen eller slår bort några av deras elektroner, beroende på vilken typ av partikelstråle som används. Detta ger atomerna – som nu kallas ”joner” – en negativ eller positiv elektrisk nettoladdning.
Nästan skickas jonerna genom ett rör där de utsätts för elektriska och magnetiska fält. Båda dessa fält utövar en kraft på jonerna, och styrkan hos de två krafterna är proportionell mot jonernas laddning (neutrala atomer känner inte av krafterna). Den elektriska kraften får jonerna att ändra hastighet, medan den magnetiska kraften böjer deras bana.
Ionerna samlas sedan upp av ”Faradaykoppar” i slutet av röret, vilket genererar en ström i ledningar som är fästade vid kopparna. Genom att mäta var och när jonströmmen träffar Faradaykopparna kan fysikerna avgöra hur mycket de måste ha accelererat, och i vilken riktning, som ett resultat av de elektriska och magnetiska krafterna. Slutligen kan fysikerna med hjälp av Newtons andra rörelselag, F=ma, omformad till m=F/a, dividera den totala kraften som verkar på jonerna med deras resulterande acceleration för att bestämma jonernas massa.
Elektronens massa har också bestämts med hjälp av en masspektrometer – i det fallet skickades elektronerna helt enkelt själva genom instrumentet. Denna mätning gör det möjligt för fysikerna att bestämma massan hos en atom när den har rätt antal elektroner, snarare än brist eller överskott på dem.
Med hjälp av en masspektrometer har fysikerna bestämt massan hos en väteatom till 1,660538921(73) × 10-27 kilogram, där siffrorna inom parentes inte är kända med fullständig säkerhet. Det är tillräckligt exakt för de flesta ändamål.
Bra vibrationer
Ett annat sätt att hitta en atoms massa är att mäta dess vibrationsfrekvens och lösa baklänges, enligt Jon R. Pratts artikel från 2014 i Journal of Measurement Science.
Vibrationen hos en atom kan bestämmas på några sätt, bland annat genom atominterferometri, där atomvågor delas koherent och senare återkombineras, enligt Alex Cronin, docent vid institutionen för fysik vid Arizonas universitet, och frekvenskammar, som använder spektrometri för att mäta vibrationer. Frekvensen kan sedan användas tillsammans med Planckkonstanten för att hitta atomens energi (E = hv, där h är Planckkonstanten och v är frekvensen). Energin kan sedan användas med Einsteins berömda ekvation, E = mc2, för att lösa atomens massa när den omformas till m = E/c2.
Ett tredje sätt att mäta en atoms massa beskrivs i en artikel från 2012 publicerad i Nature Nanotechnology av J. Chaste, et al. Metoden innebär att man använder kolnanorör vid låga temperaturer och i vakuum och mäter hur vibrationsfrekvensen förändras beroende på massan av de partiklar som är fästade vid dem. Denna skala kan mäta massor ner till ett yoktogram, vilket är mindre än massan hos en enda proton (1,67 yoktogram).
Testet gjordes med en kolnanorör på 150 nanometer som hängde över ett dike. Nanoröret plockades som en gitarrsträng och detta gav upphov till en naturlig vibrationsfrekvens som sedan jämfördes med vibrationsmönstren när nanoröret kom i kontakt med andra partiklar. Mängden massa som finns på nanoröret ändrar frekvensen som produceras.
Ye olde mass
Vad sägs om tiden före masspektrometerns dagar, när kemisterna var luddiga om vad en atom ens var? Då mätte de i första hand vikten av de atomer som bestod av olika grundämnen i termer av deras relativa massa, snarare än deras faktiska massa. År 1811 insåg den italienske vetenskapsmannen Amedeo Avogadro att volymen av en gas (vid ett givet tryck och en given temperatur) är proportionell mot antalet atomer eller molekyler som den består av, oavsett vilken gas det var. Detta användbara faktum gjorde det möjligt för kemister att jämföra de relativa vikterna av lika stora volymer av olika gaser för att bestämma de relativa massorna av de atomer som ingår i dem.
De mätte atomvikter i termer av atommassenheter (amu), där 1 amu motsvarade en tolftedel av massan av en kol-12-atom. När kemister under andra halvan av 1800-talet använde andra metoder för att approximera antalet atomer i en given gasvolym – den berömda konstanten som kallas Avogadros tal – började de producera grova uppskattningar av massan av en enskild atom genom att väga volymen av hela gasen och dividera med talet.
Skillnaden mellan atomvikter, massa och antal
Många människor använder termerna vikt och massa omväxlande, och även de flesta vågar erbjuder alternativ i enheter som pund och kilogram. Och även om massa och vikt är relaterade är de inte samma sak. När man diskuterar atomer använder många människor atomvikt och atommassa omväxlande, även om de inte heller är riktigt samma sak.
Atomvikt definieras som antalet protoner och neutroner i en atom, där varje proton och neutron har en massa på ungefär 1 amu (1,0073 respektive 1,0087). Elektronerna i en atom är så små jämfört med protoner och neutroner att deras massa är försumbar. Kol-12-atomen, som fortfarande används som standard idag, innehåller sex protoner och sex neutroner för en atommassa på tolv amu. Olika isotoper av samma grundämne (samma grundämne med olika mängder neutroner) har inte samma atommassa. Kol-13 har en atommassa på 13 amu.
Atomvikt har, till skillnad från ett föremåls vikt, inget att göra med gravitationens dragningskraft. Det är ett enhetslöst värde som är ett förhållande mellan atommassorna hos naturligt förekommande isotoper av ett grundämne jämfört med atommassan hos en tolftedel av massan av kol-12. För grundämnen som beryllium eller fluor som endast har en naturligt förekommande isotop är atommassan lika med atomvikten.
Kol har två naturligt förekommande isotoper – kol-12 och kol-13. Atommassorna för vardera är 12,0000 respektive 13,0034, och med kännedom om deras förekomst i naturen (98,89 respektive 1,110 procent) beräknas kolets atomvikt till cirka 12,01. Atomvikten är mycket lik massan av kol-12 på grund av att majoriteten av kolet i naturen består av kol-12-isotopen.
Atomvikten av en atom kan hittas genom att multiplicera förekomsten av en isotop av ett grundämne med grundämnets atommassa och sedan addera resultaten tillsammans. Denna ekvation kan användas med grundämnen med två eller fler isotoper:
- Kol-12: 0,9889 x 12,0000 = 11,8668
- Kol-13: 0,0111 x 13,0034 = 0,1443
- 11.8668 + 0,1443 = 12,0111 = kolets atomvikt
Och det finns fortfarande ett tredje värde som används när man diskuterar mätningar relaterade till atomer: atomnummer. Atomnumret definieras av antalet protoner i ett grundämne. Ett grundämne definieras av antalet protoner som kärnan innehåller och har inget att göra med hur många isotoper grundämnet har. Kol har alltid ett atomnummer på 6 och uran har alltid ett atomnummer på 92.
Tilläggsrapportering av Rachel Ross, Live Science Contributor.